カテゴリー: MCU：マイコン

マイコンテンプレートを利用するコツ/Tipsの第3回目は「時分割処理のタイミングとインタフェースRAM」について示します。
販売中のテンプレート処理起動の間隔は、250us/1ms/10ms/100ms/1s/無限ループの6種類です。この6種類の使い方を示します。

処理起動タイミング

マイコンの処理は、電源投入後、「1回のみ実行する」スタート処理と、無限ループで「繰り返し実行する処理」の2つに大別できます（ROM/RAMを初期化するなどのスタートアップ処理は、除いています）。

ここでは無限ループに代わってテンプレートが実行する、繰り返し実行する処理の間隔：「タイミング」を考察します。

テンプレートは、起動する処理が無い無限ループ：空き時間で起動するのは、Sleepなどの低消費電力処理であることは、第2回で示しました。

100msと1sの起動間隔は、マイコンにとっては「遅い処理」、例えば、LED点滅や、LCD初期設定、SWチャタリング対策の起動に適しています。
※LCD初期設定は、無限ループ前のスタート処理で実行することも可能です。

1msと10msの起動間隔は、「早い処理」、例えば、割込みの応答処理などの起動に適しています。

250us起動間隔は、「最も早い処理が必要」な、例えば、UART/I2Cなどのデータ受信処理を起動することを想定しています。

つまり、早いレスポンスが必要な処理ほど処理間隔が短く、起動される処理のソース記述位置も上側になるのです。これがテンプレート時分割起動の「基本的な使い方」です。

実例が下図です。赤/緑/青LEDを、0.5/1/2秒毎にトグル点滅する場合です。赤囲みが、テンプレートへ追加されたLEDトグル処理を表します。それ以外が、テンプレートに初めから記述済みの起動処理です。

起動間隔

起動の間隔は、第2回で示したtick interruptの発生間隔です。
1ms＞10ms＞100ms＞1sの順にレスポンスが早くなりますが、250usだけ特別に超高速応答です。これは、UART受信などの主として「いつ発生するか判らない応答に早く即応する」ためです。

販売中のテンプレートは、全てこの250usを起動間隔として開発しておりますが、実は「250usである必要性は無い」のです。因みに、FreeRTOSなどの組込OSでもtick interruptは1msです。

250usは、経験的にこの最高速でこれまで利用に問題が無かったからです。
この起動間隔を1msにし、UART受信処理を1ms起動に変更しても、メニュードリブンテンプレート動作などには問題ありません。
メニュードリブンテンプレートは、当該マイコンのUART受信バッファが1バイトでも、UARTコマンド長も1バイトなので、受信完了確認後ゆっくりバッファからデータを取り出しても間に合うからです。

起動間隔の設定は、テンプレート購入者様が「独自判断で設定して頂いても構いません」。

但し、250usよりも高速：短くすることは無いと思います。これよりも短いと、処理分割をより細かくする必要があり、開発がより厳しくなるからです。逆に、250usよりも長くすると、処理分割は楽になります。

テンプレートは、マイコン「コア動作速度を最高速」に設定し、起動間隔も「最高速と思われる250us」でデフォルトは設定しております。これは、「最初」にマイコンの最大能力で動作するアプリケーション開発後、「次の段階」としてコア周波数を下げるなどで、低消費電力化するアプローチを想定しているからです。

インタフェースRAM

処理間のデータやり取りにインタフェースRAMを使うことは、第1回で示しました。ルネサスのRL78/G1xは、通常RAMよりも高速アクセス可能なSADDRを持つなど特殊な例もありますが、低価格マイコンではRAMが貴重なリソースであることに変わりはありません。

この貴重なRAMを使う時に、ビット単位構造体を使い、ビット単位フラグでデータをやり取りすると、１バイトRAMで最大８個のフラグを使えるので効率的です。

テンプレートでは、このビット単位アクセスを容易にするため、userdefine.hにユーザ型定義を追記しております。処理間にブラグを多用する場合などにご活用ください。

マイコンテンプレートとは？

第1～3回で示したテンプレートは、「ISRは、サンプルプログラムを一部またはそのまま流用し、その他全処理をポーリング起動するマルチタスク処理の骨組み」と説明すると理解が早いかもしれません。

割込み処理は、ISRで割込みフラグ処理のみを行い、ISR発生をポーリングし割込み実処理を起動する。
サンプルプログラムの無限ループポーリングとの差は、処理に応じた時分割ポーリングである。
骨組みのテンプレートへ、サンプルプログラム流用の処理を組込んでプロトタイピング開発をする。
この理解で良いと思います。

ポイントのまとめ

• 処理起動間隔は、250usとしているが、変更は可能、かつ任意
• 高速な応答が必要な処理は、短い起動間隔へ配置
• インタフェースRAMの効率的な利用に、ビット単位構造体も有効

＊　＊　＊

３回に分けてマイコンテンプレート利用のコツ/Tipsを示しました。これらは、ソフトウエア開発では当然の事柄とダブる部分も多くありますが、数値では表せないのであえてコツ/Tipsとして記載しました。

組込OSを使うよりも簡単で、サンプル流用も可能なマルチタスク実現テンプレートが、お判り頂けたと思います。

販売中のマイコンテンプレートを活用し、アプリケーションの早期開発を成功させてください。

マイコンテンプレートを利用するコツ/Tipsの第2回目はテンプレートの「マルチタスク処理の実現方法」を示します。

組込OSの分割起動

シングルコアのマイコンで、マルチタスク処理の実現方法が、「処理の分割起動」です。
組込OSは、この分割処理＝タスクの起動をOSが行います。FreeRTOSの“USING THE FREERTOS REAL TIME KERNEL”から抜粋したFigure 4は、このことを解り易く示しています。

OSのKernelは、tick interrupt毎にタスク切り替えを行います。t2でTask1は「強制的に中断」され、Task2へ切り替わります。t3では、Task2が強制中断され、Task1が「中断処理から再開」されます。

ある時刻で動作する処理は、Kernelを含めて1個ですが、tick interrupt毎に処理を切り替えてマルチタスク処理を実現します。

テンプレートの分割起動

分割起動は、テンプレートでも同じです。テンプレートは、第1回目で説明した「細かく分割した処理」をtick interrupt毎に時分割で起動します。組込OSとの差は、（簡単に説明すると）起動処理を強制的に中断したり、再開したりする機能が無いことです。

起動処理1の中断機能が無いので、t2のタイミングまでに「処理1が終了」していることが必要になります。

処理終了のための分割

この「処理終了」は、どうすれば得られるのでしょうか？

第1回説明の「細かい処理の分割」は、結果として処理時間も短くなり、この処理終了をもたらします。

注意すべきは、赤丸の処理の完了確認が必要な入出力処理です。しかし、ここを「完了確認の処理」と、「その結果で動作する処理」の2つに分けて開発すれば、問題解決です。それぞれの処理が短時間で終了するからです。

同じように割込み処理も、基本的にISR: Interrupt Service Routine内では、「割込み発生確認と割込み要因のクリア」のみを行い、「割込みの結果で動作する処理は別処理」として分割して処理化します。

このような処理分割により、デバッグが容易となり、別アプリへ流用/応用性、部品化も高まります。

勿論、サンプルプログラムのISR処理を「そのまま流用」してもテンプレートへ組込んでもOKです。サンプルプログラムが提供する典型的なISRは、処理時間が短い場合が殆どでだからです。

分割起動後の処理

起動処理で起動される側の処理時間が短くなると、起動処理へ戻る時間が増えます（上図ピンク）。この戻った時の処理が、無限ループの処理です。

テンプレートでは、無限ループ内で起動する処理は、低電力処理のSleep（またはDeep Sleep）です。
この結果、高速マイコンであればある程この「無限ループ：空き時間」が長くなり、マイコン消費電力の大部分を占めるコア動作を停止するSleepを効果的に使えます。

ポイントのまとめ

• 処理時間を短くするため、「確認処理」と「その結果の処理」を分離
• 起動処理無しの「空き時間」は、低消費電力処理を起動（SleepとDeep Sleepの差には注意）

次回予告

テンプレートが処理を分割し、これを分割起動するマルチタスク処理の実現方法を示し、処理分割のコツ/Tipsを示しました。次回は、「時分割のタイミング」について説明する予定です。

マルチタスク処理と組込OSの前回記事で、マイコンテンプレートを利用するコツ/Tips、ノウハウを示すことになり、その第1回目は「処理分割の重要性」について示します。
※説明するこのコツ/Tipsは、「販売中の全ての弊社マイコンテンプレート」に適用可能です。

処理分類

テンプレートが想定しているマイコンで開発する処理を、下記のように4つに分類してみます。

マイコンのアプリケーションは、これら「4分類の処理を組合せて」開発します。

説明の内容から「その他の処理」を除くと、各処理は数10～数100ステップの単純な処理です。従って、これら単純な処理の品質、バグが無いことが重要です。

「その他の処理」は、内容によっては多くの計算や開発ノウハウが必要となる分野です。
そこで、マイコン計算能力や大きなROM/RAMが必要になるかもしれないその内容には踏み込まず、「その他の処理」としてひとくくりにしています。

マイコンテンプレートも、この「その他の処理」の１つです。

サンプルソフト有無

「入力処理」～「割込み処理」のような単純な処理は、ベンダ提供のサンプルプログラムで提供されることも多いのです。だから、１から自分で開発するよりも、サンプルプログラムを利用する方が手間も少なくバグも無くなるのです（サンプルソフトの見つけ方はコチラを参照）。

マイコンテンプレートが、サンプルプログラムの流用/活用を重視するのは、これが理由です。

「骨組み」を提供するテンプレートへ、サンプルから入手した入力～割込みなどの「処理」を、骨組みに「追加」することでアプリケーションを早期完成します。

また、適当なサンプルソフトが無い場合でも、このように分類しておけば、「既存サンプルと似た方法」で開発する指針が与えられます。
つまり、サンプルソフトが提唱するマイコンに適した方法で処理を開発するのです。

サンプルソフトは、単にサンプルではなく、「当該マイコン利用のバイブル」と言っても過言ではありません。サンプルソフトの手法を活用/流用することこそ、開発成功の秘訣です。

テンプレートのメリット

テンプレートを使えば、最も重要で開発時間もかかる「その他の処理へ労力を集中」したアプリケーション開発が可能です。

このアプリケーション早期開発の結果、計算能力が不足した場合には、より高性能なマイコンを利用することや、改版や仕様追加を見越して、より大きなROM/RAMを使うなどの対策が「事前」に取れます。

プロトタイピング開発は、実際のアプリケーション開発に近い環境で、このように現状マイコンに対する予測/見識を持てること、これが最大の目的です。勿論、現状のマイコン能力で十分であれば、アプリケーション開発も完了です。

インタフェースRAM

処理間のデータやり取りにRAMを使うこと、これもテンプレートの特徴です。インタフェースRAMで処理を分離し、部品化するのです。

処理を分離しておけば、処理の中身がデバッグ中、または未完成であっても、完成後の想定データをデバッガでインタフェースRAMへ設定しさえすれば、データを送受する側の処理開発ができます。

RAMにより処理を分離分割し、なるべく単純でデバッグしやすい処理単位で開発することが目的です。

まとめ

要は、
処理単体を、細かく分割、できれば（なるべく）サンプルソフトを利用/流用して開発し、
インタフェースRAMで処理間を分離、当該開発のみでなく、他へも流用/活用できることを狙い、
アプリケーションのプロトタイピング開発ができる骨組み、
これがマイコンテンプレートです。

今回のポイントを下記に示します。

• 処理を細かく分割する指針、方針を持ってサンプルソフトを読む
• 分割した処理は、RAM値で動作決定する部品化
• テンプレートへ、分割処理を追加してアプリケーション開発

次回予定

サンプルソフトは、解り易いシングルタスクの説明に重点を置いているため、「マルチタスク処理への配慮」がありません。そこで、次回は、テンプレートでどのようにマルチタスク処理の実現しているのか、そして今回説明した処理分割とどう結びつくか、などを説明する予定です。

次回以降のテンプレートを利用するコツ/Tipsは、下記内容の説明を予定しています。
第2回：テンプレートのマルチタスク処理
第3回：テンプレートの時分割タイミングとインタフェースRAM（最終回）